文摘

为了研究燃料分布的影响的操作两相脉冲爆震发动机(PDE),一系列的冷流和多周期的PDE 9混合方案进行实验。同质性程度与燃料分布提出了考虑空间和时间的定量评价液体燃料和空气的混合粒子图像测速技术(PIV)在冷流实验。操作稳定性的多周期的PDE的统计分析,提出了峰值压力的出口爆管。操作的稳定性和均匀性之间的关系程度定量阐述了。这些实验结果表明,不仅使用混合强化设备(如孔板和簧片阀)是燃料分布有所改善,但也影响进气方式的同质化程度被削弱。燃料分布的均匀程度 是一个稳定的多周期的PDE工作的关键值。同质性程度低于0.72时,稳定状态并不是维护和爆轰波在某些周期由于燃料分布不佳还没有建立起来。因此,有必要保持同质性程度大于0.72实现稳定运行的PDE。这些结果有助于提高操作稳定性和提供指导方针,PDE的混合方案的设计。

1。介绍

脉冲爆震发动机(PDE)获得推力间歇爆震波。众多的理论、实验和数值研究进行了自PDE带来了更高的热力学效率(1]。气体燃料将更容易应用到PDE因为容易与氧化剂混合2- - - - - -5),但他们的能量密度低于液体燃料;然后,应用pd并不乐观。液体燃料已经集中在这个领域(6,7]。研究喷爆了PDE效率(再次检查!)是高度相关的液滴大小和蒸发液体燃料(8,9];因此,雾化和蒸发的液体燃料PDE应该考虑液体燃料。

安德拉等人进行单循环的性能估计一个理想化的液体燃料PDE的爆轰数值模拟JP-10燃料液滴在空气(氧气和10]。他们的研究结果表明,足够小水滴或有足够的prevaporization燃料,液体燃料PDE将提供同等单循环推进性能gaseous-fueled PDE。然而,性能将降低液滴尺寸太大时,自动传输的爆轰波不能获得最后的管。通过比较模拟结果与实验观察到的趋势,结论是,小液滴大小和更高水平的加热和prevaporization可能会增加液体燃料混合物的易于爆炸启动(11]。

模拟单个ideal-tube PDE和多相JP10-O推动2和JP10-air混合物为Tangirala et al。12]。水滴的直径范围(3μ打光最后一μ燃料空气和10 mμm-20μ美元fuel-O2混合物)和等价比率被认为是在他们的研究中,预测速度缺陷的5% JP10-O拟定的爆轰速度通过气相混合物2/空气和特定的冲动 PDE最初引发的气体燃料(1 - 5%)高于 用多相JP10-O PDE最初的推动2/空气混合物。

它已被证实在这些研究中,改善初始雾化和蒸发的液体燃料水平可以提供一个好处PDE的性能。讨论了高速同轴的雾化气流Lasheras et al。13]。他们指出,高速气流由停滞压力是分裂注入所需的燃料。索特平均直径(SMD)值低于10μ米能取得注气速度大于220 m / s。王等人。14]研究了雾化的影响在PDE采用激光光散射测量的意思是液滴的大小。是观察等价比率限制了宽,爆震波速度增加汽油液滴的大小减少。

塔克等人减少液体燃料的蒸发时间的脉冲爆轰发动机燃料通过闪蒸系统(15,16]。结果表明,快速闪蒸系统提供了一个易爆的混合物的所有燃料测试没有炼焦燃料,燃油喷射和点火时间几乎没有依赖的温度。在他们的作品中,成功的爆闪蒸发jp - 8在空气实现一系列燃料温度和fuel-to-air比率。

守财奴et al。17)建立了一个同心管式热交换器使用所产生的废热的PDE产生闪蒸jp - 8 /空气混合物。稳态测试的持续时间超过了以往任何的操作时间JP-8-fueled pd,高于20分钟,只有燃料存储容量有限。

海尔瑞迟等。18]研究了燃料温度对PDE性能的影响与不同的同心管式热交换器的液体燃料。在他们的作品中,除了JP-10燃料,增加燃油喷射温度导致的减少DDT (deflagration-to-detonation产品化)时间(15%)和爆轰距离(高达30%),但会导致爆炸的增加比例高达180%,几乎不影响点火时间。

风扇等。19]讨论了燃料预处理的有利影响与五concentric-counter-flow换热器两相的性能。结果表明,借助燃料预热,DDT的时间和距离,液体煤油显著减少,操作时间大大延长。与燃油温度的增加,具体从97.3秒脉冲上升25°C到115.4 s在200°C。

甚至从液体变成气体燃料蒸发,燃料分布仍然很大程度上影响PDE的爆轰管性能,这方面现在正在吸引大量的注意力从研究人员20.,21]。可调谐二极管激光吸收光谱技术已应用于在PDE提供了时间分辨测量燃料质量分数Brophy et al。22,23]。发现燃料质量分数分布在PDE本质上影响整个系统性能方面的启动特性和由此产生的fuel-based-specific脉冲性能值。混合燃料分层轴向分布,反转发生在年底启动出现一个燃烧室和一个精简的混合物在燃烧室出口附近,有利于操作,如促进快速点火/ DDT和增加燃料相比比冲量分布均匀的燃料混合物的总燃料质量分数。

帕金斯和唱24]分析了爆轰波的周期非均匀H2利用二维数值模拟-空气混合物。结果呈现,H2-空气系统,燃气混合好并不是一个最优爆轰管性能的先决条件。为了研究喷爆,液滴直径分布和两相混合物均匀性被认为是由布雷特(25]。在他的研究中,利用米氏散射图像两相混合物混合均匀性是确定这些图像的统计分析。它可以得出的结论是,小同质性的变化可能对爆震波速度几乎没有影响。

正如上面提到的,有许多现有的研究对PDE性能混合异构性的影响,但这些结果大多涉及气相条件。两阶段PDE的性能不仅影响雾化和蒸发的液体燃料,还混合均匀性。这是实际PDE极大关注的问题;然而,几乎没有这方面的详细研究。因此,一系列multicyclic两阶段PDE 9混合策略进行实验定量研究两相混合均匀性的影响在两阶段PDE操作。

2。实验装置

2.1。PDE实验装置

PDE的实验系统建立研究使PDE multicyclic运行阶段。实验测试平台由推进剂供应系统、爆管,测量和控制系统,点火系统,如图1。


图1
PDE实验装置的示意图。

推进剂供应系统由一个氧化剂供给设备和燃料供应设备。燃料供应设备提供液体燃料(在中国)97号汽油含有97% C8H18的爆轰管pressure-swirl雾化器。的汽油是存储在一个圆柱体,上部充满氮气。汽油的质量流率是衡量一个流量计和压力控制的氮。索特平均直径是衡量皮影戏(71μ在这些实验m)。

空气作为氧化剂,是提供给爆轰管由一个氧化剂供应设备。流量计和调节阀用于测量和控制空气的质量流量。燃料供给系统的电磁阀安装以确保周期性爆炸。1.5的平均等效比值是固定的实验。

爆轰管内径是50毫米和2100毫米长,其中包括一个混合的200毫米,爆炸起始段1400毫米,500毫米和爆轰波传播的部分,如图2。混合设备,如孔板或簧片阀设置在混合区不同燃料分布。更详细的混合设备如图3和4。易爆的混合物被点燃爆炸起始节点火系统。点火系统采用火花塞放电14赫兹的频率和传递的能量1 J。为了减少DDT助跑距离和时间,Shchelkin螺旋的堵塞比0.422是放置在爆轰起始部分。Shchelkin螺旋的长度和外径1300毫米和50毫米,分别有钢丝直径6毫米,35毫米线圈之间的距离。0.422的堵塞比接近最优值的0.43 Peraldi et al。26]。


图2
爆管。

图3
孔板。

图4
簧片阀。

记录的压力历史爆管,动态压电压力传感器嵌装在爆轰管,如图2。来自这些传感器信号传输到6通道同步采样模块通过一个信号调节器。采样频率为500赫兹的实验。

2.2。PIV实验装置

两相混合物,很难实现统一与更多的气体或液体混合物和地区可能会出现。因此,必须考虑混合的均匀性在两阶段PDE。粒子图像测速技术(PIV)是用来形象燃料分布随时间在爆轰管,如图5图像分析软件,高速CMOS相机,和一个双腔Nd: YAG激光实现。脉冲激光器单,芽的双腔Nd: YAG激光脉冲能量的30乔丹1 kHz,安排照亮火花塞附近的中心平面。高速CMOS相机是用来记录粒子的分布照明地区1280人 800像素和1 kHz。有机玻璃管和50毫米内径2毫米厚度结合观察窗。


图5
PIV实验设置。
2.3。混合方案

得到不同的燃料分布、9混合方案,如表所示1在混合部分,进行了这些实验。切向、轴向和径向进气方式,如图6(一)-6(c),分别采用提供空气爆轰管由四个入口分支。混合强化设备,如孔板和一个簧片阀,安装在混合部分来实现不同的燃料分布和混合异同。0.54的孔板堵塞的结构比例是绘制在图3。直径是14毫米大孔隙和7毫米的小孔。

表1
九种不同的混合方案。

图6
切向(a)、轴向(b)和径向(c)进气方式。

簧片阀由一个孔板,锥,阀板,限制档板,螺丝,如图4。左边的部分簧片阀连接到进气系统和右端去爆轰起始部分。的孔板有八个孔沿圆周均匀分布的孔板。孔的直径是多少 。阀门开关(如虚线所示的图4)在灌装过程中可燃混合物由左派和右派之间的压差阀,阀门的最大开度角板 ,和簧片阀的堵塞比是0.54。

3所示。两相混合物均匀性

PDE,是否可以点燃可燃混合气在很大程度上取决于两相混合物均匀性在火花塞附近。因此,火花塞附近的燃料分布与不同的混合方案由PIV捕获。图7(一个)显示了燃料分布在火花塞附近的切向进气方式没有混合强化设备。离心力产生的切向气流管。离心力导致螺旋运动的燃料液滴沿管壁,有小管的轴线附近的燃料液滴。从图可以看出7(b),孔板减少空气的离心力和提高燃料分布在火花塞附近。


图7
此外燃料分布记录。

图7只给了瞬时空间分布的液体燃料。值得注意的是,两相混合物均匀性不仅与空间分布,时间。进一步定量研究混合均匀性9混合方案,统计分析的时间和空间被认为是PIV的这些图片。数字信息与每个像素点的灰度值包含在这些图像。燃料分布的均匀程度, ,可以计算由以下方程: 在哪里 是像素点的灰度值 在时间 , 是像素点的总和, 是图片的总数。我们设置 , 平均灰度值的像素点对所有图片。越接近同质性程度 1,液体燃料分布越均匀。

图8显示了九个同质性程度混合方案。从图可以看出8同质性程度变化从0.32到0.87为不同的混合方案。进气方式对同质性程度有较大的影响没有混合强化设备比安排与孔板或簧片阀。轴向进气方式的同质化程度大于切向入口的所有情况。与切向入口方式相比,轴向进气方式的同质化程度增加了103%的测试没有混合强化设备,但20.8%的孔板和4.88%的簧片阀合并情况。混合强化设备,如孔板和簧片阀,除了提高火花塞附近的同质性程度,减少进气方式的影响在同质性程度和簧片阀优于孔板。


图8
同质性程度与9混合方案。

4所示。在PDE同质性的影响程度

4.1。多周期的PDE实验

探讨混合均匀性对PDE工作特性的影响,一系列的多周期的两相爆轰实验进行了九个不同的混合方案。在这些实验中,空气的灌装速度是大约30 m / s,燃料/空气混合物的等价比率为1.5,火花塞的点火频率是14赫兹,和环境压力和温度是1 atm和280 K,分别。

图9(一个)显示的压力历史案例1切向入口的方法是利用和不使用混合强化设备。从图可以看出9(一个)的两相混合物点燃期间只有一次点火的1 s 14 Hz频率和爆燃火焰不转化为爆轰波。这是由于离心力产生的旋转气流导致糟糕的同质性程度,这就严重富油在火花塞附近和贫燃料爆轰管中的轴附近。其均匀度是0.32例1,使点火困难。

(一)案例1
(一)案例1
(b)例2
(b)例2
(c)例3
(c)例3
图9
历史相关强化设备的压力。

数据9 (b)和9 (c)显示的压力历史爆管为例2和例3,分别。与例1相比,实现成功点火显著提高是由于混合均匀性的改善程度,但爆轰波在几个周期还没有获得。这表明均匀度为例2和例3仍然不能满足PDE的要求,这意味着很难建立爆轰波在某些周期即使点火成功。

改善燃料PDE的分布和操作稳定,上游孔板安装100 mm的火花塞,以防4例5和例6。

图10 ()历史案例4显示了压力。可以看出,建立了爆轰波在所有国家中除了一个时期的1 s点火14赫兹的频率。发现孔板能够降低离心力从旋转气流的负面影响燃料分布。与例1,PDE例4的操作稳定性明显得到增强,由于孔板从0.32提高燃气混合的均匀程度为1至0.72案件4。

(一)4
(一)4
(b) 5例
(b) 5例
(c) 6
(c) 6
图10
孔板的压力历史。

数据10 (b)和10 (c)显示的压力历史例5和例6中,分别。从这些数据可以看出,成功的爆轰波起始总是伸手例5和例6。这些表明,均匀度为例5和例6可以满足PDE的要求。相比之下,图9PDE,孔板可以提高操作稳定性的不同进气方式。

图11显示了压力沿着历史与簧片阀实现爆轰管。如图11,PDE簧片阀可以为不同进气方式更稳定的运作。这表明,除了提高PDE的同质性来满足需求,簧片阀也降低了进气方式对PDE的影响。此外,相比之下,图10之前,实现爆轰波P4位置如图11。簧片阀的DDT PDE的距离比这短孔板。

(一)案例7
(一)案例7
(b) 8例
(b) 8例
(c) 9
(c) 9
图11
簧片阀的压力历史。
4.2。PDE的操作稳定性

进一步研究PDE的关系操作稳定性和均匀性程度的两相混合物,操作稳定性的统计分析确定峰值压力 。它可以使用以下公式计算: 在哪里 是周期的峰值压力吗 在 , 循环使用的数量平均,然后呢 峰值压力的平均值。越近的操作稳定性 1,PDE的考虑采用多循环工作更稳定。

多周期的PDE的操作稳定性 对于不同的同质性程度 绘制在图12。从图可以看出,多周期的PDE的操作稳定性增加,当同质性程度提高。获得最高的操作稳定性 0.841当 是0.86 9。当同质性程度 大于0.72, 有小的影响多周期的PDE的操作稳定性,和操作稳定性略增加而增加的 ,而作为 低于0.72, 有重大影响和操作稳定性迅速下降的减少 。这是归因于点火失败或不实现爆轰波周期的同质性程度较低。因此,同质性程度 是一个关键的价值稳定的多周期的两阶段PDE工作。对于同质性程度越高,运行稳定 由同质性程度和湍流的影响因此,操作稳定 提出了一种小的下降 从0.86增加到0.87。


图12
操作稳定性的多周期的PDE不同的均匀度。

5。摘要和结论

这项工作首先定量调查的影响上的同质性程度的混合操作稳定性的多周期的PDE通过PIV 9混合方案。基于实验结果,可以得出结论如下:(1)同质性程度,考虑了燃料与空间和时间分布,提出了定量评估液体燃料和空气的混合物。轴向进气方式的同质化程度比切向和径向进气方式。离心力产生旋转气流导致螺旋运动的燃料液滴沿管壁,和几个燃料液滴存在轴附近的切向进气方式没有混合强化设备。混合强化设备,如孔板和簧片阀,不仅改善燃料分布在火花塞附近,也减少了进气方式对同质性程度的影响。对于这种安排,簧片阀执行比孔板(2)操作稳定性的多周期的PDE的统计分析,提出了峰值压力的出口爆管。PDE的关系操作稳定性和均匀性程度的定量分析。同质性的 是一个稳定的多周期的两阶段PDE工作的关键值。当同质性程度 低于0.72,显著影响多周期的PDE的操作稳定性和爆轰波在某些周期没有实现由于同质性程度差。同质性程度 会有一个小对多周期的PDE的操作稳定性的影响如果 大于0.72。因此,它是必要的,以实现同质性程度 0.72以上,确保稳步PDE工作。这些生成的结果预期提高操作稳定性和提供指导方针,PDE的混合方案的设计(3)自爆震波的复杂激波和火焰的稳定爆轰波初步讨论了利用压力波时间曲线,这是不够的。未来研究计划是,纹影技术将被用来专门研究非均匀混合的shock-flame结构条件下爆炸混合物

命名法

: 直径
DDT: Deflagration-to-detonation过渡
: 灰度值的像素点 在时间
: 平均灰度值
: 基于燃料比冲量
: 总数量的照片
: 的像素点
: 数量的操作周期
: 传感器的安装位置
: 峰值压力的周期 在
: 的平均峰值压力
PDE: 脉冲爆震发动机
: 最大的开角阀板
: 同质性程度的燃料分布
: PDE的操作稳定。

数据可用性

数据都是在文章中。没有额外的数据。

的利益冲突

作者声明没有竞争的经济利益。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金批准号51606100,江苏省自然科学基金,中国通过批准号BK20150782,中央大学的基础研究基金批准号。30915118836和309171 b8806。